В г. Ленинске — Кузнецком Кемеровской области с июля 2003 г. по ноябрь 2004 г. проводился эксперимент по отсосу остаточного метана из закрытой шахты «Кольчугинская» и его энергетическому использованию.
Рабочий проект «Организация отсоса метана из выработанного пространства ликвидируемой шахты «Кольчугинская» разработан 3AO «Институт «Шахтопроект» (г. Санкт- Петербург) по техническому заданию лаборатории энергетики ФГУП ННЦ ИГД им. А.А. Скочинского. Финансировало его Государственное учреждение по вопросам реорганизации и ликвидации нерентабельных шахт и разрезов (ГУРШ). Согласование проекта и технологической схемы газомоторной установки (ГМУ) с заинтересованными организациями, ее доработку, организацию проведения экспертизы проекта на промышленную безопасность, комплектацию оборудования, монтаж ГМУ, оформление разрешительно лицензионной документации, обучение и аттестацию персонала, пуско-наладочные работы и эксплуатацию выполнило ООО «Кузбассэлектро — М» и научно технический и экспертно-испытательный центр электрооборудования и систем электроснабжения (НТЭИцентр) Кузбасского гостехуниверситета (КузГТУ).
Шахта «Кольчугинская» разрабатывала угольные пласты Грамотеинской и Ленинской свит Ерунаковской подсерии Кольчугинской серии верхнепермского возраста. Размеры шахтного поля 8,3 км2. Проектом предусматривалось создание ГМУ, работающей на метане с концентрацией 25-95 % и включающей в себя специально пробуренную газоподающую скважину глубиной 230 м, газоотсасывающий блок с вакуум-насосом, две армейских электростанции ЭСДА 200 мощностью по 200 кВт каждая с переделанными на газ дизелями 12ГЧ15/18, блок управления и линию электропередачи 0,4 кВ сечением 4×70 кв.мм длиной 300 м до трансформатора TM-180 кВ*А, который осуществлял связь электростанции с системой электроснабжения OAO «Ленинск Кузнецкая горэлектросеть». Вырабатываемая электроэнергии передавалось в сеть 0,4/0,23 кВ находящегося поблизости частного жилого массива и через трансформатор связи в городскую сеть напряжением 6 кВ.
В качестве коллекторов метана рассматривались зоны влияния горных работ отработанных пластов «Поджуринский-5» с расчетным объемом 675 тыс. м3 при концентрации 90 % и «Поджуринский-1» с объемом 170 тыс. м 3 с концентрацией 20 %. В пересчете этот объем метана мог содержать 23,1 млн. кВт*ч электроэнергии. Воспользоваться расчетными запасами метана не удалось, поскольку создание ГМУ проводилось параллельно с затоплением шахты и к моменту завершения ее монтажа выработанное пространство частично было затоплено. Газоподающая скважина была пробурена в выработанное пространство пласта «Поджуринский-5» и обсажена глухими трубами диаметром 273 мм на расстоянии 50 м от поверхности, а дальше — трубами 168 мм со щелевой перфорацией.
Скважина не выдавала газ даже при работающем вакуум-насосе с разряжением до 50 кПа. Для ее активизации произвели взрывание ВВ внутри обсадочной трубы в трех местах (на Рис. 1 отмечены окружностями) с последующей пневмообработкой всей скважины с помощью установки АПП-200 с давлением в магистрали 13 – 14,5 Мпа и в рабочей камере 8 – 13 Мпа. На один метр производили 10 выстрелов на спуске рабочего органа. В результате этих мер скважина начала выдавать метан с концентрацией 25 % при вакууме 45-5- кПа с последующим увеличением до 56–70 % с меняющейся газоотдачей от 1,2 до 3 м3/мин, что свидетельствует о высоком аэродинамическом сопротивлении выработанного пространства, из которого в нее поступал газ. При не работающем вакуум-насосе газ из скважины не поступал.
Газоотсасывающий блок (ГОБ), это утепленный металлический бокс с размещенными в нем вакуум-насосом, трубопроводами, запорной арматурои, обратными клапанами, огнепреградителями, датчиками концентрации метана и его расхода. Его упрощенная технологическая схема приведена на рис. 2.
Блок состоит из:
- 1,9 — обратные клапаны;
- 2 — водоотделитель;
- 3 — водосборный бак;
- 4 — фильтр;
- 5, 7, 10, 11 — огнепреградители;
- 6 — газодувка;
- 8 — выравнивающая емкость;
- KI, К2 — шаровые краны.
В качестве вакуум-насоса в ГОБ установлена роторная объемная газодувка 1Г24-30-2В производства OAO «Мелком» (Мелитопольский компрессор) с взрывозащищенным электродвигателем мощностью 7.5 кВт. Её номинальная производительность – 11 м3/мин с перепадом давления между всасом и нагнетанием 50 кПа. Роторные газодувки имеют ряд важных преимуществ перед водокольцевыми вакуум-насосами, которые широко применяют в дегазационных установках, в частности, их энергоемкость примерно в 12-14 раз ниже за счет высокого КПД, а перекачиваемый газ не насыщается парами воды и не требует сушки перед подачей в поршневые двигатели. Недостаток газодувок состоит в том, что их можно применять только в комплекте с огнепреградителями, поскольку при большом износе подшипников предположительно существует вероятность cyxoгo трения роторов, что может быть причиной воспламенения перекачиваемой метано-воздушной смеси.
В ГОБ по разрешению Госгортехнадзора РФ установлены в качестве огнепреградителей огневые предохранители ОП-100 Армавирского опытного машиностроительного завода. Они с двух сторон ограждают газодувку (позиции 5 и 7 на рис. 2) и установлены на газосбросовых свечах (10 и 11) для предотвращения воспламенения сбрасываемого газа под воздействием какой-либо внешней причины (например, разряда молнии). Цистерна 8 емкостью 18 предназначается для стабилизации работы газовых двигателей. Обратные клапаны 1 и 9 предотвращают уход газа в скважину при остановке двигателя газодувки.
В фильтре 4 установлены фильтрующие элементы от автомобиля КамАЗ, заменяемые через каждые 120 130 ч наработки ГМУ из-за отложений пыли. Измерение концентрации метана, поступающего из скважины, а также могущего скапливаться в боксах электростанций и газоотсасывающем блоке производилось с помощью комплекса АКМР -М и периодически дублировали приборами ШИ-12 и М-01. Расход смеси измеряли прибором «Метран». В работе постоянно находилась одна электростанция из-за недостатка газа и малой мощности трансформатора связи с городской электросетью, которая не позволяла поднять мощность генератора выше 145 кВт.
В процессе пусконаладочных работ и последующей за ними эксплуатацией ГМУ производили систематические (через час) записи приборов, контролирующих ее работу, в том числе: концентрацию метана из скважины; мощность ГМУ, отдаваемую в сеть, кВт; вакуум, создаваемый газодувкой в скважине, кПа; давление газа перед двигателем, кПа; вырабатываемую ГМУ электроэнергию, кВт-ч; расход газовоздушной смеси, поступающей из скважины, м3/мин; атмосферное давление при работе ГМУ, мм рт. ст.; продолжительность работы двигателя общую и на одно включение до снижение концентрации метана ниже 38-40 %, ч. Полученные данные были обработаны с помощью методов математической статистики, что позволило перейти к обобщенным выводам. Характеристики каждого из контролируемых параметров рассчитывали с доверительной вероятностью не ниже 0,85.
Концентрация поступающего из скважины метана не была постоянной и менялась как за время эксплуатации ГМУ, так и на одно ее включение в (рис. 3).
Из гистограммы видно, что эксплуатация ГМУ большую часть времени проводилась при концентрации метана 41 – 56 %. Менялась во времени и газоотдача скважины. В связи с этим режим работы ГМУ был циклическим. Ее включали в работу при содержании метана 52-56 % и выше. При содержании газа 38-40 % двигатель сбрасывал на грузку и отключался автоматически, хотя по энергосодержанию газовоздушной смеси из скважины он мог работать при концентрации СН4 до 25 %.
Объясняется это недоработкой конструкции редукционного клапана двигателя, устранить которую в процессе эксплуатации не представилось возможным. Наработка ГМУ на снижение концентрации от 52-56 % до 38-40 % составляла 6-8 ч, пауза между включениями 8-12 ч. За это время эта концентрация вновь поднималась до 52-56 % и ГМУ включали в работу. Таким образом ГМУ работала на смеси с теплотворной способностью 20,1 — 14,36 МДж/нм3 (теплотворная способность чистого метана — 35,9 МДж/м3) в течение 12-16 ч в сутки. Изменение концентрации метана из скважины происходило с разной скоростью, как это показано на рис. 4, где приведена гистограмма распределения этих скоростей на одно включение ГМУ. Она составила от 1,6 до 9,6 %/ч со средним значением 4,67 %/ч.
Это свидетельствует не только о неравномерности поступления газа в скважину, но и о невозможности обеспечить стабильную отдачу ГМУ мощности в сеть без регулятора объема газовоздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателей. О неравномерном поступлении газа в скважину свидетельствует также разность скоростей снижения концентрации метана между наибольшими и наименьшими ее значениями за время работы двигателя. Эта скорость распределялось от 3,8 до 7,6 %/ч и от 11,4 до 19,0 %/ч, то есть наблюдался своеобразный волновой процесс поступления газа в скважину.
Разная скорость поступления метана в скважину из выработанного пространства и изменение газоотдачи оказывало самое непосредственное влияние на стабильность работы ГМУ и на уровень выдаваемой двигателем мощности. Влияние атмосферного давления показано на рис. 5, где приведены кривые регрессии между концентрацией метана и длительностью работы ГМУ при давлении 730 и 750 мм рт. ст. Видно, что концентрация метана повышалась при снижении атмосферного давления и наоборот вне зависимости от продолжительности работы ГМУ tP, ч. Высокие коэффициенты корреляционных отношений R73O = 0,975 и R750 = 0,94 свидетельствуют о практически функциональных связях этих зависимостей.
Восстановление концентрации метана после достижения ею минимального значения и отключения ГМУ происходило также с разной скоростью. Большой разброс скоростей снижения и восстановления концентрации метана можно объяснить как малыми значениями коэффициента пустотности обрушенных много лет назад горных пород, так и тем, что движение газа из зоны влияния горных работ к скважине могло происходить не только за счет создаваемого газодувкой вакуума, но и за счет диффузии.
За время пуско-наладочных работ и эксплуатации ГМУ было откачено из выработанного пространства 291 930 м3 метано-воздушной смеси со средней концентрацией СН4 около 50 % и выработано 99 840 тыс. кВт*ч электроэнергии. Коэффициент отдачи энергии из метано-воздушной смеси со ставил 0,342. При реализации проекта был разработан и утвержден в установленном порядке нормативный документ: «Временное руководство по безопасной эксплуатации установок энергетического использования шахтного и природного метана», который является нормативной базой для проектирования аналогичных ГМУ и основой для экспертизы проектов на промышленную безопасность.
Из опыта работы ГМУ стало ясно, что технологическую схему ГОБ можно упростить за счет резервного огнепреградителя и водоотделителя с водосборным баком. Комплекс измерения метана АКМР-М требует систематической (через 100 — 120 ч работы) настройки. Он имеет высокую инерционность (до 15 с) и в силу этого непригоден для систем регулирования количества подаваемой в двигатель метано-воздушной смеси при изменении концентрации.
Газопоршневые двигатели необходимо оснащать регуляторами количества подаваемой в них газовоздушной смеси для обеспечения их стабильной работы. Опыт показал, что проектирование газотсасывающих установок с целью энергетического использования метана из закрытых шахт целесообразно производить в два этапа. На первом из них выбирать место расположения скважины с расчетом возможных запасов метана и производить ее бурение с измерением аэродинамического сопротивления и газоотдачи, а на втором — выбирать характеристики всего технологического оборудования и электростанций.
Выработанное пространство оказалось ненадежным источником снабжения ГМУ метаном. Перспектива, на наш взгляд, за использованием в качестве коллекторов метана непогашенных основных выработок шахт при условии, что они не будут затоплены.
Источник: Газоотсасывающая и электрогенерирующая установка на закрытой шахте / Г.И. Разгильдеев, В.И. Серов // Вестник КузГТУ. — 2005. — №4.2. — C. 27-30.
